CN110994112B - 一种正交定向耦合交叉结构和馈电网络 - Google Patents

一种正交定向耦合交叉结构和馈电网络 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种正交定向耦合交叉结构和馈电网络，其中正交定向耦合交叉结构包括一个3dB基片集成波导定向耦合器和一个3dB带状线定向耦合器，其中3dB基片集成波导定向耦合器传输TE10模式，在X方向实现3dB的耦合输出，3dB带状线定向耦合器传输TEM模式，在Y方向实现3dB的耦合输出。3dB带状线定向耦合器集成于3dB基片集成波导定向耦合器内部。当该交叉结构在两个正交方向同时被激励时，每个耦合器都能实现两个3dB的信号输出，并且两个输出信号的相位差为90°；上述两个耦合器之间的隔离度能够达到20dB以上，两个方向的模式传输不会相互干扰，具有很好的独立性。本发明能够实现正交方向上的定向耦合，并且实现了小型化。

Description

一种正交定向耦合交叉结构和馈电网络
技术领域
本发明涉及定向耦合器技术领域，尤其涉及一种正交定向耦合交叉结构和馈电网络。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，高集成度成为了评价系统的一项重要的指标。而在集成电路系统、天线分配网络等结构中往往需要交叉结构来实现两条传输线交叉传输信号。传统的交叉结构通常利用微带结构和气桥来实现，但这种半开放式结构的辐射损耗随着频率升高而变大，并不适用于高频。近年来发展迅速的基片集成波导技术为高频的应用提供了较好的解决方案。基片集成波导具有尺寸小、高频损耗低、易于其他平面结构集成的特点，因此得到了广泛的应用。
如今，元件的功能变得越来越复杂，需要更加复杂的PCB工艺，多层PCB结构上更紧凑、重量更轻，但能实现更多的功能，因此多层PCB技术成为了很多应用的首选。如今，多层PCB的工艺也越来越成熟，该技术的应用能够使结构更加小型化。
现有的交叉结构通常只能够实现简单的交叉传输，或者能够实现交叉滤波传输却受到窄带的限制，另外这些结构的尺寸较大，并且不易于组成大的阵列结构。
发明内容
为了克服上述现有技术中的问题，本发明提供一种具有紧凑结构并能够同时在正交方向上实现耦合传输的交叉结构和馈电网络。
本发明通过以下技术方案实现这一目的。
本发明第一方面提供一种正交定向耦合交叉结构，包括一个3dB基片集成波导定向耦合器和一个3dB带状线定向耦合器，所述3dB基片集成波导定向耦合器包括两个并排放置的具有侧壁窗耦合窗的基片集成波导，通过耦合窗连接，组成x形状，所述3dB基片集成波导定向耦合器传输TE10模式，在X轴方向实现3dB的耦合输出，所述基片集成波导的每个端部均与一直角转弯和一基片集成波导-共面波导转换结构相连，将输出信号由X轴方向转向Y轴方向；所述3dB带状线定向耦合器包括：两个交叉的带状线、交叉处的带状线耦合环，所述3dB带状线定向耦合器传输TEM模式，在Y轴方向实现3dB的耦合输出，所述带状线端部与带状线-共面波导转换结构相连以输出信号，所述3dB带状线定向耦合器集成在所述3dB基片集成波导定向耦合器内部，两者正交分布。该结构将两个不同类型的3dB定向耦合器正交集成在同一个位置，在实现两个正交方向上耦合传输的同时实现小型化。
作为优选实施例，所述交叉结构从上到下依次包括上层金属馈电层、上层介质基片、金属导带层、粘合层、下层介质基片和底部金属地层；所述交叉结构通过所述上层金属馈电层的接地共面波导结构馈电。
作为优选实施例，所述3dB基片集成波导定向耦合器由所述基片集成波导上的多个金属通孔构成，所述金属通孔自所述上层金属馈电层贯穿至所述底部金属地层，构成定向耦合器的侧壁，TE10模式由所述接地共面波导结构经过所述基片集成波导-共面波导转换结构，进入所述3dB基片集成波导定向耦合器进行传输。
进一步的，所述基片集成波导-共面波导转换结构有4个，其中一个作为馈电端，与所述馈电端Y轴方向并行的基片集成波导-共面波导转换结构作为隔离端，其他两个基片集成波导-共面波导转换结构一个为直通端，另一个为耦合端。
作为优选实施例，所述3dB带状线定向耦合器按照以下方式形成：所述3dB基片集成波导定向耦合器侧壁设有侧壁窗，通过所述侧壁窗在两层介质基片之间插入分支线耦合器，与所述3dB基片集成波导定向耦合器的上下两层铜片形成带状线定向耦合器；TEM模式由所述接地共面波导结构经过带状线转接结构，进入所述3dB带状线定向耦合器进行传输。
进一步的，所述带状线-共面波导转换结构有4个，其中一个作为馈电端，与所述馈电端X轴方向并排放置的Y轴朝向的所述带状线-共面波导转换结构作为隔离端，其他两个所述带状线-共面波导转换结构一个为直通端，另一个为耦合端。
作为优选实施例，所述金属导带层的上表面设有4个盲孔，所述盲孔向上贯穿所述上层介质基片至所述上层金属馈电层，连接到接地共面波导结构的中间导带，实现带状线的馈电。
以上各技术方案中的交叉结构均可以通过多层PCB工艺制作而成。
本发明第一方面提供一种馈电网络，包括上述任一技术方案中所述的正交定向耦合交叉结构。
本发明达到了以下有益效果：
1、整个交叉结构主要由金属层和金属化通孔、盲孔组成，整个结构可以用多层PCB工艺实现；
2、该交叉结构能实现同时在两个正交方向上激励时，两个信号能够沿这两个方向传输，并且每个信号最后被分成等幅度的两个部分输出，并具有90°的相位差；
3、该交叉结构具有很好的特性：每个耦合器自身的端口反射系数和隔离系数都小于-12dB：两个耦合器之间的隔离度也小于-20dB。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例正交定向耦合交叉结构的俯视透视图；
图2为本实施例一种实施方式中的交叉结构的侧面部分结构示意图；
图3为本实施例一种实施方式中的上层金属馈电层结构示意图；
图4为本实施例一种实施方式中的金属导带层和粘合层结构示意图；
图5为本实施例一种实施方式中的底层金属地层结构示意图；
图6为本实施例的介质基片波导耦合器部分的仿真和测试得到S参数幅值图(a)和两端口输出信号相位差图(b)；
图7为本实施例的带状线耦合器部分的仿真和测试得到S参数幅值图(a)和两端口输出信号相位差图(b)；
图8为本实施例的基片集成波导耦合器与带状线耦合器端口间的隔离度的仿真和测试图。
附图标记说明：
1～4—3dB基片集成波导定向耦合器端口、5～8—3dB带状线定向耦合器端口、22—基片集成波导定向耦合器侧壁窗、23—基片集成波导定向耦合器耦合窗、25—基片集成波导直角转弯、26—基片集成波导-共面波导转接结构、32—带状线、33—带状线耦合环、34—带状线-共面波导转换器、41—上层金属馈电层、411—金属通孔、412—接地共面波导、413—盲孔、42—上层介质基片、43—金属导带层、44—粘合层、45—下层介质基片、46—底部金属地层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示的一种紧凑型正交定向耦合交叉结构，将两个不同类型的3dB定向耦合器正交集成在同一个位置，在实现两个正交方向上耦合传输的同时实现小型化。该交叉结构包括一个3dB基片集成波导定向耦合器和一个3dB带状线定向耦合器，基于基片集成波导和带状线的结构特点，在前者侧壁设置合适宽度的侧壁窗，并通过该侧壁窗在两层介质基片之间插入分支线耦合器，该分支线耦合器与基片集成波导的上下两层铜片形成带状线耦合器。其中基片集成波导定向耦合器传输TE10模式，在X方向实现3dB的耦合输出，带状线定向耦合器传输TEM模式，在Y方向实现3dB的耦合输出。这样由基片集成波导激励起的TE10模式和由带状线激励起的TEM模式能够实现正交定向耦合传输，在两个正交方向同时实现功率分配和相位输出。
在一些具体实施方式中，交叉结构从上到下依次包括上层金属馈电层41、上层介质基片42、金属导带层43、粘合层44、下层介质基片45和底部金属地层46，各层位置如图2所示。所述交叉结构通过接地共面波导结构馈电。
由图2～图4可见，粘合层44将金属导带固定于上下两层介质基片中间，在金属导带层43的上表面设有4个盲孔413，盲孔413自此金属表面向上贯穿上层介质基片42)至上层金属馈电层41，连接到接地共面波导412的中间导带。其余的过孔均为金属通孔411，自上层金属馈电层41至底部金属地层46，贯穿整个结构。
在本实施例中，3dB基片集成波导定向耦合器由多个金属通孔构成，状如横放的“X”，如图1～图5所示。该基片集成波导定向耦合器的四个端部设有介质集成波导转接结构26，TE10模式由接地共面波导结构经过介质集成波导转接结构26，进入所述3dB基片集成波导定向耦合器进行传输。如果端口1作为馈电端，那么端口2和3分别为相应的直通端和耦合端，能够输出等幅度的信号，且3与2的信号相比滞后90°，端口4为对应的隔离端，实现了TE10模式沿X轴方向3dB的耦合输出。
在一些实施方式中，所述3dB带状线定向耦合器位于上层介质基片42和下层介质基片45之间，由两条交叉的带状线构成X形分支线耦合器，与3dB基片集成波导定向耦合器呈正交分布，如图1和图4所示。具体为：基片集成波导耦合器侧壁设有侧壁窗，通过该侧壁窗在两层介质基片之间插入分支线耦合器，该分支线耦合器与基片集成波导耦合器的上下两层铜片形成带状线定向耦合器。该带状线定向耦合器也有四个端部，分别设有带状线转接结构34，TEM模式由接地共面波导结构经过带状线转接结构34，进入所述3dB带状线定向耦合器进行传输。如果从端口5处馈电，那么端口6和7分别为相应的直通端和耦合端，能够输出等幅度的信号，且7与6的信号相比滞后90°，端口8为对应的隔离端，实现了TEM模式沿Y轴方向3dB的耦合输出。
基于本发明思想，利用多层PCB工艺制作正交定向耦合交叉结构，并进行相关测试：图6(a)和图6(b)为3dB基片集成波导定向耦合器部分的S参数幅值图和端口2与端口3输出信号相位差图；图7(a)和图7(b)为3dB带状线定向耦合器部分的S参数幅值图和端口6与端口7输出信号相位差图；图8为交叉结构中基片集成波导耦合器与带状线耦合器端口间的隔离度的仿真和测试图。
本发明还提供一种实施例，一种馈电网络，其包括上述任一技术方案中提到的紧凑型正交定向耦合交叉结构。
本发明的实施例将带状线耦合器集成在基片集成波导耦合器内部，有效地减小了尺寸，提高了集成度；这两种类型的耦合器垂直放置，且传输不同模式的信号，具有较好的隔离度。采用接地共面波导–基片集成波导转接结构与接地共面波导–带状线转接结构进行输入阻抗匹配，并通过合理地布局使得结构更加紧凑。
测试表明，本发明实施例中的交叉结构能够保证在两个正交方向具有很好的耦合交叉传输的效果，同时两种模式传输时具有很好的隔离度，当该交叉结构在两个正交方向同时被激励时，每个耦合器都能实现两个3dB的信号输出，并且两个输出信号的相位差为90°；此外这两个耦合器之间的隔离度能够达到20dB以上，两个方向的模式传输不会相互干扰，具有很好的独立性。另外这种结构体积小、易于集成并且能够扩展实现更大的阵列结构。本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (9)

1.一种正交定向耦合交叉结构，其特征在于，包括一个3dB基片集成波导定向耦合器(21)和一个3dB带状线定向耦合器(31)，所述3dB基片集成波导定向耦合器包括两个并排放置的具有侧壁窗(22)和耦合窗(23)的基片集成波导(24)，通过耦合窗连接，组成x形状，所述3dB基片集成波导定向耦合器传输TE10模式，在X轴方向实现3dB的耦合输出，所述基片集成波导的每个端部均与一直角转弯(25)和一基片集成波导-共面波导转换结构(26)相连，将输出信号由X轴方向转向Y轴方向；所述3dB带状线定向耦合器包括：两个交叉的带状线(32)、交叉处的带状线耦合环(33)，所述3dB带状线定向耦合器传输TEM模式，在Y轴方向实现3dB的耦合输出，所述带状线端部与带状线-共面波导转换结构(34)相连以输出信号，所述3dB带状线定向耦合器集成在所述3dB基片集成波导定向耦合器内部，两者正交分布。
2.根据权利要求1所述的正交定向耦合交叉结构，其特征在于，所述交叉结构从上到下依次包括上层金属馈电层(41)、上层介质基片(42)、金属导带层(43)、粘合层(44)、下层介质基片(45)和底部金属地层(46)；所述交叉结构通过所述上层金属馈电层的接地共面波导结构(412)馈电。
3.根据权利要求2所述的正交定向耦合交叉结构，其特征在于，所述3dB基片集成波导定向耦合器由所述基片集成波导上的多个金属通孔(411)构成，所述金属通孔自所述上层金属馈电层贯穿至所述底部金属地层，构成定向耦合器的侧壁，TE10模式由所述接地共面波导结构经过所述基片集成波导-共面波导转换结构，进入所述3dB基片集成波导定向耦合器进行传输。
4.根据权利要求1所述的正交定向耦合交叉结构，其特征在于，所述基片集成波导-共面波导转换结构有4个，其中一个作为馈电端，与所述馈电端Y轴方向并行的基片集成波导-共面波导转换结构作为隔离端，其他两个基片集成波导-共面波导转换结构一个为直通端，另一个为耦合端。
5.根据权利要求2所述的正交定向耦合交叉结构，其特征在于，所述3dB带状线定向耦合器按照以下方式形成：所述3dB基片集成波导定向耦合器侧壁设有侧壁窗，通过所述侧壁窗在两层介质基片之间插入分支线耦合器，与所述3dB基片集成波导定向耦合器的上下两层铜片形成带状线定向耦合器；TEM模式由所述接地共面波导结构经过带状线转接结构，进入所述3dB带状线定向耦合器进行传输。
6.根据权利要求2所述的正交定向耦合交叉结构，其特征在于，所述带状线-共面波导转换结构有4个，其中一个作为馈电端，与所述馈电端X轴方向并排放置的Y轴朝向的所述带状线-共面波导转换结构作为隔离端，其他两个所述带状线-共面波导转换结构一个为直通端，另一个为耦合端。
7.根据权利要求2所述的正交定向耦合交叉结构，其特征在于，所述金属导带层的上表面设有4个盲孔(413)，所述盲孔向上贯穿所述上层介质基片至所述上层金属馈电层，连接到接地共面波导结构(412)的中间导带，实现带状线的馈电。
8.根据权利要求1～7任一项所述的正交定向耦合交叉结构，其特征在于，该交叉结构通过多层PCB工艺制作而成。
9.一种馈电网络，其特征在于，包括权利要求1～8任一项所述的正交定向耦合交叉结构。
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